CN104176125A - 一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置，包括光电隔离器与线性传感器，所述光电隔离器与线性传感器均固设于固定支架上，所述固定支架卡套在方向盘的传动轴的外周；所述线性传感器连接有柔性拉线，所述柔性拉线的另一端与安装于方向盘底端且与方向盘同轴转动的抱箍连接，位于线性传感器与抱箍之间的柔性拉线外套有导向线套；所述抱箍的下方安装有用于方向盘初始位置定位的固定挡针，并使固定挡针对准所述的光电隔离器。线性传感器的柔性拉线经过抱箍、导向线套、固定支架把方向盘的转动角度变换为拉线的伸缩长度，并经单片机采集处理后得到方向盘的实时转动角度和转动角速度，从而使检测具有实时性、检测精度高。

Description

一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置

  

技术领域

本发明涉及机动车操控状态自动监测技术领域，具体涉及一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置。 

  

背景技术

机动车在道路上行驶，其行驶方向操控对安全驾驶起着重要作用，方向盘控制着机动车的行驶方向。目前为了实现对方向盘操作的精确检测，在机动车自动驾驶技术领域、驾驶人驾驶技能自动考核评判技术领域和驾驶人在途安全状态监测技术领域有重要作用。 

在机动车自动驾驶技术领域，对机动车方向盘转动的检测是在方向盘传动轴上安装光电编码器，光电编码器活动轴与方向盘一起转动，通过光电编码器输出计数脉冲实现对方向盘转动角度和转动角速度的检测。这种方法需要对机动车进行很大的改造，且安装周期长，经费使用多；另外在在后期的设备维护中，需要再次拆解车辆，费时费工；在长时间使用过程中，由于误差积累，导致方向盘转动角度和转动角速度检测的精度变差，影响方向盘的操控效果。 

在驾驶人驾驶技能自动考核评判技术领域，因传统的方向盘转动角度和转动角速度检测装置使用成本高，维护困难，采用间接方式对方向盘操控状态进行检测，即采用机器视觉技术评判被测机动车与周边其它目标是否保持合适的安全距离。这种方法属于事后定性检测，不能通过方向盘检测来预判机动车行驶方向，从而主动避免可能的安全隐患。此外，这种方法检测误差大，无法对方向盘的操作状态进行准确描述，也就无法实现驾驶人对方向盘操作正确与否的自动评判。 

在驾驶人在途安全状态监测技术领域，根据驾驶人清醒状态时的方向盘操控模式与驾驶人注意力不集中、疲劳状态时具有明显差异来识别驾驶人是否处于安全状态。其通常采用齿轮组把方向盘的转动方式传送出来，并加以放大，再通过霍尔传感器或光电传感器来采集方向盘的转动角度和角速度。这种方式存在检测装置安装麻烦，随着汽车的运动颠簸容易损坏，且检测精度低等缺点。 

  

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置，可以在不影响机动车正常操作的情况下，对多种型号机动车方向盘的转动角度和角速度进行高精度实时检测，以便用于机动车自动驾驶领域、驾驶人驾驶技能自动考核领域和驾驶人疲劳驾驶自动检测领域中的方向盘操控状态检测。 

本发明的技术方案为： 

一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置，包括光电隔离器与线性传感器，所述光电隔离器与线性传感器均固设于固定支架上，所述固定支架卡套在方向盘的传动轴的外周；所述线性传感器连接有柔性拉线，所述柔性拉线的另一端与安装于方向盘底端且与方向盘同轴转动的抱箍连接，位于线性传感器与抱箍之间的柔性拉线外套有导向线套；所述抱箍的下方安装有用于方向盘初始位置定位的固定挡针，并使固定挡针对准所述的光电隔离器。

进一步，所述抱箍是由左半盘与右半盘对夹哈夫式紧固构成，抱箍的底端边缘设有一圈槽盘，所述柔性拉线缠绕设置在所述的槽盘中；所述槽盘的内壁开设有用于安装固定挡针的螺孔。 

进一步，所述固定支架由卡箍与卡箍支架对夹哈夫式紧固构成，所述卡箍上固设有光电隔离器，卡箍支架上固设有线性传感器。 

进一步，还包括电流/电压变换电路、模数转换器、单片机和电平转换电路；所述线性传感器的输出端与电流/电压变换电路连接，所述电流/电压变换电路通过模数转换器与单片机连接；所述光电隔离器的输出端通过电平转换电路与单片机连接。 

更进一步，所述单片机的输出端通过驱动电路与LED数码显示电路电连接。使方向盘的转动角度和转动角速度采用LED数码显示电路显示，便于工作人员观察。 

更进一步，所述单片机的输出端通过输出串口电路与上位机电连接。单片机通过输出串口电路与上位机连接，便于检测到的方向盘转动角度和转动角速度实现自动记录和本检测方法的联网使用。 

本发明中哈夫式紧固中哈夫是英文“ half”的译音，就是一半的意思，就是指分成两个半圆拼合而的。 

与线性传感器连接的柔性拉线经过导向线套、抱箍、固定支架，把方向盘的转动角度变换为导向线套的伸缩长度。即线性传感器把柔性拉线伸缩长度数据变换成标准的电流信号输出，也即把方向盘转动角度变换成标准的电流信号输出。 

线性传感器将柔性拉线的位移量变换为输出电流信号，经电流/电压转换电路变换为模拟电压信号，再经模数转换器变换为二进制数字信号，送入单片机进行采集处理；单片机周期性采集输入的数据，通过比例换算得到方向盘的实时转动角度，再用当前采样周期得到的方向盘角度减去上一周期得到的方向盘角度，并除以采样的周期时间，就可以得到方向盘的转动角速度；然后，单片机把方向盘角度值和角速度值通过驱动电路送到LED数码管显示，同时将得到的方向盘转动角度和角速度值通过串口电路向上位机输出。 

通过光电隔离器对输出电平的检测，可以校准方向盘的基准位置，消除方向盘转动角度检测过程中的累积误差。 

抱箍紧密安装在机动车的方向盘下端，其随方向盘转动而转动，线性传感器输出端的柔性拉线另一端固定在抱箍上，多余的柔性拉线缠绕在抱箍的槽盘内；抱箍槽盘中的柔性拉线的输入输出方向与线性传感器端的柔性拉线的输入输出方向不同，通过导向线套的平滑过渡，实现方向盘转动时，柔性拉线在抱箍槽盘与线性传感器之间平稳伸缩，且线绳长度变化正比于方向盘转动角度。在方向盘转动时，柔性拉线受弹力的作用出现伸缩，即方向盘顺时针转动，柔性拉线从线性传感器中被拉出，缠绕在抱箍槽盘里；方向盘逆时针转动，柔性拉线从抱箍槽盘里放出，被线性传感器收回。 

光电隔离器的安装面与抱箍平行，方向盘转动时，若挡针经过光电隔离器就可以产生一个位置校准信号，用于确认方向盘的初始位置，以消除累积测量误差。抱箍下方安装有固定挡针，用于方向盘初始位置定位，即方向盘处于初始位置（转动角度为0）时，固定挡针位于固定支架上的光电隔离器中间，遮挡住光电隔离器的光线，则光电隔离器电路输出高电平；而当固定挡针未遮挡时，则其输出低电平。 

本发明的优点： 

（1）本发明基于运动变换机构，把方向盘的旋转运动变换为线性传感器的直线位移运动，并且采用柔软拉线来传递直线运动，柔软拉线可以收放在抱箍的槽盘内，简化了方向盘转动角度和角速度的检测装置，使检测成本变低，使用时安装方便。 

（2）本发明采用抱箍结构来跟踪、采集方向盘的转动状态，可以根据方向盘安装部位的实际尺寸调整抱箍的安装尺寸，可以测量多种机动车车型的方向盘转动，推广应用时具有很强的适应性。

（3）本发明采用高性能单片机，其工作速度快，内置24位高精度模数转换器，数据刷新率达到1KHz，可以实时检测方向盘转动角度和转动角速度；且检测精度高，如需得到更高精度的检测，只要增大抱箍半径和柔软拉线的长度就可。 

（4）本发明使用的线性传感器采用标准电流输出模式，在机动车行驶过程中可以减少外界的电磁干扰，使检测装置稳定、可靠地运行。 

（5）本发明采用LED数码管显示方向盘转动角度和转动角速度，亮度高，观察容易；把方向盘转动角度和转动角速度通过标准RS 232串口输出，可以方便地与上位机***联机运行。 

（6）本检测装置占用空间小，充分利用有限空间不影响方向盘的操作，实现了将方向盘的适时转角转变为柔性拉线的伸缩线位移，并适时对角度进行校准，提高了检测精度；同时具有成本低，安装简便，调试快捷的优点，为现行实际道路考试中方向盘转角的适时高效检测提供了一个最佳选择。 

  

附图说明

图1是本发明的安装结构示意图。 

图2是本发明的抱箍结构示意图。 

图3是本发明的固定支架结构示意图。 

图4是本发明的电路原理流程图。 

  

具体实施方式

如图1所示，一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置，光电隔离器5与线性传感器8均固设于固定支架4上，所述固定支架4卡套在方向盘的传动轴9的外周；所述线性传感器8连接有柔性拉线7，所述柔性拉线7的另一端与安装于方向盘1底端且与方向盘1同轴转动的抱箍2连接，位于线性传感器8与抱箍2之间的柔性拉线7外套有导向线套6；所述抱箍2的下方安装有用于方向盘1初始位置定位的固定挡针3，并使固定挡针3对准所述的光电隔离器5。 

如图2所示，抱箍2是由左半盘2-1与右半盘2-2对夹哈夫式紧固构成，抱箍2的底端边缘设有一圈槽盘2-4，多余的柔性拉线则缠绕设置在槽盘2-4中；所述槽盘2-4的内壁开设有用于安装固定挡针3的螺孔2-3。 

如图3所示，固定支架4由卡箍4-1与卡箍支架4-2对夹哈夫式紧固构成，卡箍4-1上固设有光电隔离器5，卡箍支架4-2上固设有线性传感器8。 

如图4所示，电路原理流程为，线性传感器8的输出端与电流/电压变换电路10连接，所述电流/电压变换电路10通过模数转换器11与单片机13连接；所述光电隔离器5的输出端通过电平转换电路12与单片机13连接。 单片机13的输出端通过驱动电路14与LED数码显示电路15电连接，将方向盘的转动角度和转动角速度通过LED数码显示电路15进行显示，便于工作人员观察。单片机13的输出端通过输出串口电路16与上位机17电连接，将检测到的方向盘转动角度和转动角速度实现自动记录和本检测方法的联网使用。 

将线性传感器8固定在固定支架4上，线性传感器8的柔性拉线7穿过导向线套6固定在抱箍2上，并拉出一半左右的柔性拉线7缠绕在抱箍2的槽盘中，柔性拉线7受到线性传感器8的弹力作用会自然收紧。线性传感器8的工作电压为DC 5V，输出为标准的4～20mA电流信号，线性精度为0.05%，柔性拉线7长度为2000mm。拉出柔性拉线7的长度与输出电流信号成正比，在柔性拉线7未被拉出时，输出电流信号为4mA；在线绳2000mm全部被拉出时，输出电流信号为20mA。由于柔性拉线7的拉出长度与方向盘转动角度成正比，此时即把方向盘的转动角度变换为4～20mA电流信号输出。 

电流/电压变换电路10、驱动电路14、LED数码显示电路15和输出串口电路16均为现有的电路，其具体元器件在本专利中不再累述。 

在具体设计方案中，单片机选用MSC1210芯片，其采用增强型8051内核，时钟频率可达33 MHz，工作电压为DC 5V，自带一个8路输入24位精度的模数转换器。单片机的采样时间间隔，即采样周期T设置为1ms，方向盘转动角度和角速度的数据采样率为1KHz，满足实时采集要求。上位机17即为现有具有联网功能的计算机。 

电流/电压转换电路采用100Ω精密电阻，误差为±0.01%，MSC1210单片机的ADC输入阻抗为5MΩ，转换精度为0.002%。 

输出串口电路采用MAX232芯片，作为单片机与上位机通讯的标准RS 232口，工作时的数据传送波特率设置为9600bps，保证检测的实时性要求。 

安装于方向盘上的抱箍槽盘半径R为100 mm，方向盘转动1度对应的柔性拉线变化长度为1.7453mm；考虑到方向盘转动有二个方向，在方向盘角度为0时，设置线性传感器的拉出柔性拉线为总长度的一半，以保证方向盘顺时针和逆时针转动时都有1000mm的长度变化容量，其对应方向盘顺时针、逆时针能够检测的最大转动角度在570゜左右。如果需要检测更大的转动角度，可以通过增加线性传感器的柔性拉线长度来解决。 

考虑到方向盘转动时超过1圈，抱箍上的挡针将重复经过光电隔离器，故对单片机MSC1210芯片设计上对转动角度值θ进行判断，只有θ位于[-180゜，180゜]之间，才对基准方向盘数据进行校准，避免在方向盘转动超过一圈时产生误校准操作。 

线性传感器把方向盘的转动角度变换为标准电流信号输出，方向盘顺时针转动，输出电流增大；方向盘逆时针转动，输出电流减小。输出电流经100Ω精密电阻转换电路变换为模拟电压信号，再通过模数转换器变换为二进制数字信号，送入单片机进行采集处理。单片机周期性采集输入的数据D，通过比例换算得到方向盘的实时转动角度θ，再用当前采样周期得到的方向盘转动角度θ减去上一周期得到的方向盘转动角度θ0，并除以周期时间T得到方向盘的转动角速度v。 

在采集方向盘转动角度前，单片机首先检测LES信号是否为高电平，即光电隔离器是否被抱箍挡针遮挡，如果被遮挡且上一采样周期得到的方向盘转动角度值在[-180゜，180゜]范围内，则将方向盘转动角度设置为0，同时把采样值D作为基准方向盘数据D0；否则，直接计算方向盘转动角度θ。 

计算得到的方向盘转动角度θ和角速度v各采用4个LED数码管进行扫描显示，其最高位作为符号位使用，逆时针转动为负，顺时针转动为正；转动角度最小显示为1度，1圈为360度，转动角速度最小显示为1度/秒。 

以上实施例并非仅限于本发明的保护范围，所有基于本发明的基本思想而进行修改或变动的都属于本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种方向盘转动角度和转动角速度的实时高精度检测装置，包括光电隔离器（5）与线性传感器（8），其特征在于：所述光电隔离器（5）与线性传感器（8）均固设于固定支架（4）上，所述固定支架（4）卡套在方向盘的传动轴（9）的外周；所述线性传感器（8）连接有柔性拉线（7），所述柔性拉线（7）的另一端与安装于方向盘（1）底端且与方向盘（1）同轴转动的抱箍（2）连接，位于线性传感器（8）与抱箍（2）之间的柔性拉线（7）外套有导向线套（6）；所述抱箍（2）的下方安装有用于方向盘（1）初始位置定位的固定挡针（3），并使固定挡针（3）对准所述的光电隔离器（5）。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述抱箍（2）是由左半盘（2-1）与右半盘（2-2）对夹哈夫式紧固构成，抱箍（2）的底端边缘设有一圈槽盘（2-4），所述柔性拉线（7）缠绕设置在所述的槽盘（2-4）中；所述槽盘（2-4）的内壁开设有用于安装固定挡针（3）的螺孔（2-3）。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述固定支架（4）由卡箍（4-1）与卡箍支架（4-2）对夹哈夫式紧固构成，所述卡箍（4-1）上固设有光电隔离器（5），卡箍支架（4-2）上固设有线性传感器（8）。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：还包括电流/电压变换电路（10）、模数转换器（11）、单片机（13）和电平转换电路（12）；所述线性传感器（8）的输出端与电流/电压变换电路（10）连接，所述电流/电压变换电路（10）通过模数转换器（11）与单片机（13）连接；所述光电隔离器（5）的输出端通过电平转换电路（12）与单片机（13）连接。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：所述单片机（13）的输出端通过驱动电路（14）与LED数码显示电路（15）电连接。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：所述单片机（13）的输出端通过输出串口电路（16）与上位机（17）电连接。